基于PLC的模糊PID在热压机控制系统中的应用研究

（平顶山学院 电气信息工程学院，平顶山 467000）

0 引言

热压机是人造板生产中的重要加工设备，现代人造板热压机的厚度控制，一般采用电液伺服系统或机液伺服系统通过PID调节进行闭环控制。但作为压制对象的人造板纤维或刨花等是一种不连续介质，在压制过程中由于厚度的变化，引起负载变化对液压系统的工作压力的变化没有一个确定的数学模型，非线性非常明显。因此，即使应用PID调节控制，也难以收到满意的效果。而模糊控制正是一种非线性控制，不需要精确的数学模型。因此，本研究以模糊控制与传统PID控制相结合的新控制方式对刨花板热压过程中的厚度控制进行试验与仿真分析。

1 热压机控制系统

1.1 热压机控制系统原理图

主要设备有S7-200CPU226、EM232、EM235、激光传感器ZX-LD300、功率放大器ZX-LDA41、电液比例阀EFBG-03、一台台湾朝田生产的YYSYT-001型开放式液压综合实验台、MS-2压力变送器两个、DS-12-FR定量泵与MVP-30-F/A3变量泵等。热压机控制系统原理图如图1所示。

图1 控制系统原理图

1.2 热压机控制系统数学模型

结合实验系统中各环节的实际参数，求出各环节的传递函数，最后求得被控对象的传递函数（详细过程见参考文献2）为：

1.3 基于PLC模糊PID控制原理图

基于PLC模糊PID控制原理图如图2所示。

图2 热压模糊PID控制框图

图2中，kp是比例系数，ki是积分系数，kd是微分系数。模糊PID控制器通过PLC把模糊控制、专家系统以及PID控制器结合起来，利用专家系统知识实时修正PID参数，以达到最佳控制效果。

2 模糊PID控制规则

实验思路：首先通过做大量的PID控制试验获取本系统控制的专家系统知识，并记录系统偏差、偏差变化率、上升时间和控制输出等实验数据和曲线，其次确定P、I、D各参数范围，然后取不同的P、I、D再进行实验，最后分析得出模糊PID控制规则。

2.1 P、I、D参数范围的确定

要确定模糊PID控制规则，必须先确定每一个单独参数的具体范围。实验方法为：1）I、D为定值，改变P值，每次实验50次；2）P、D为定值，改变I值，每次实验50次；3）P、I为定值，改变D值，每次实验50次。在保证系统稳定的条件下，通过大量的实验，最后确定P的范围为[1,30]；I的范围为[1,10]；D的范围为[0,0.006]。

2.2 实验及PID控制规则的确定

根据PID各参数的范围任意选取P、I、D参数各六个，观察实验效果。根据确定P、I、D各参数范围时的实验结果与分析，选取P值为28、15、10、7、2、1；I值为 9、7、6、4、3、1；D值为 0.006、0.003、0.001、0.0005、0.0001、0，进行216次试验，反复对实验结果分析验证，而后确定模糊PID控制规则如表1、表2和表3所示。

表1 kp 控制规则表

表2 ki 控制规则表

表3 kd 控制规则表

根据模糊控制规则表可以分别求出kp、ki和kd控制规则表参数在不同偏差和偏差变化率下的所有模糊取值的隶属度，然后根据e的测量值，并根据反模糊化加权平均规则进行判决，即可求出kp、ki和kd的精确控制参数kp、ki和kd值，即：

3 仿真

3.1 模糊PID仿真模型

在SIMULINK环境中建立的模糊PID仿真模型如图3所示。

图3 热压模糊PID系统仿真框图

3.2 三种控制方式的仿真比较

对单位负反馈闭环控制、经典PID控制与模糊PID控制等三种控制方式的阶跃响应进行仿真，仿真曲线如图4所示 。

图4 仿真曲线图

图4表明：经典PID控制与单位负反馈闭环控制相比，经典PID控制出现较大的超调量，但上升时间大大缩短，振荡后趋于稳定。而与经典PID控制相比，模糊PID控制的性能又有了显著的提高，振荡明显减小，上升时间缩短。

4 结束语

在对人造板热压工艺流程分析的基础上，把模糊控制与传统PID控制相结合的新控制方法应用于热压机控制系统，通过对大量实验数据的分析研究，以及对不同控制方法控制效果的仿真分析，结果表明，这种新的控制方法控制效果理想。

[1] 杨承, 等.新型实验热压机的控制系统[J].林业机械与木工设备, 2003, 31(4): 20-22.

[2] 卞和营, 曹小荣.基于PLC的液压位置控制系统建模与仿真[J].煤矿机械, 2009(7): 51-52.

[3] 赵岩.基于模糊PID控制器的汽车雨刮系统的研究[J].机械制造自动化, 2010, 32(2): 179-181.

[4] 梅晓榕.自动控制原理[M].北京: 科学出版社, 2002:202-226.